本發(fā)明涉及一種超快響應(yīng)的可二維陣列化的溫度傳感芯片及其制備方法與應(yīng)用，屬于溫度傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

溫度傳感器作為開發(fā)最早以及應(yīng)用最廣泛的一類傳感器，其市場份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它傳感器。傳統(tǒng)的溫度傳感器基于工作物質(zhì)熱脹冷縮的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，由于建立在熱平衡的基礎(chǔ)上，因此需要較長的響應(yīng)時(shí)間，如傳統(tǒng)的溫度計(jì)需要數(shù)分鐘才能精確檢測(cè)出待測(cè)的溫度?；跓犭娕嫉碾娮訙囟葌鞲衅饕蚱浔銛y性和實(shí)用性在諸多領(lǐng)域有著很廣闊的應(yīng)用前景，但依然存在響應(yīng)速度慢、材料的環(huán)境友好性差以及降解難等一系列問題。響應(yīng)速度過慢嚴(yán)重限制了溫度傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域的高端應(yīng)用，是溫度傳感器急需解決的一個(gè)重要技術(shù)難題。

離子液體作為新型的電介質(zhì)材料因具有高靈敏的溫度響應(yīng)特性而備受人們關(guān)注。離子液體是僅由陰、陽離子構(gòu)成的純凈物。常見的陽離子有季銨陽離子、季鏻陽離子、咪唑陽離子和吡啶陽離子等，陰離子有鹵素陰離子、四氟硼酸根、三氟甲磺酰亞胺根等。離子液體因其熔點(diǎn)低于室溫或接近室溫而呈液態(tài)，從而具有一定的流動(dòng)性。同時(shí)，離子液體自身可忽略不計(jì)的蒸汽壓，使其在空氣中不會(huì)因揮發(fā)而消失殆盡。此外，離子液體具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、較高的離子電導(dǎo)率以及適中的粘度，使得離子液體在常作為電化學(xué)窗口在分析及能源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的基于離子液體的溫度傳感器的基底主要采用聚二甲基硅氧烷，該溫度傳感器存在制備繁瑣、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代溫度傳感器的技術(shù)發(fā)展和更高性能要求，快速響應(yīng)、制備簡易、成本低廉，同時(shí)兼具柔性與可折疊能力的溫度傳感器成為現(xiàn)代溫度傳感器必須要考慮的因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超快響應(yīng)的可二維陣列化的溫度傳感芯片及其制備方法與應(yīng)用，該方法利用離子液體可借助毛細(xì)作用力以及物理吸附保留在紙的多孔纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部的特點(diǎn)，將紙作為離子液體溫度傳感芯片的基底，結(jié)構(gòu)簡單，原料來源廣泛，成本低廉，響應(yīng)速度快。

本發(fā)明提供的溫度傳感芯片，它包括紙基底以及內(nèi)部儲(chǔ)存的離子液體，根據(jù)所述離子液體的電導(dǎo)率隨溫度的變化實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。由于離子液體的電導(dǎo)率受溫度影響很大，僅僅一攝氏度的溫差就能夠產(chǎn)生顯著的響應(yīng)信號(hào)，而且離子液體暴露在環(huán)境中，熱傳導(dǎo)和熱接觸都在極短的時(shí)間內(nèi)完成，因此當(dāng)外界溫度發(fā)生變化傳遞至基底上時(shí)，使得基底內(nèi)部儲(chǔ)存的離子液體的電導(dǎo)率隨溫度而發(fā)生變化，這種變化可以通過電化學(xué)設(shè)備快速檢測(cè)出來。

上述的溫度傳感芯片中，通過筆寫或打印的方式將所述離子液體轉(zhuǎn)移到所述紙基底上，得到所述溫度傳感芯片。

上述的溫度傳感芯片中，所述紙基底為具有多孔纖維結(jié)構(gòu)的紙張，包括但不限于打印紙張。所述紙基底的厚度可為0.01mm～1mm。所述紙基底具體可為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的A4紙。

上述的溫度傳感芯片中，所述離子液體可為1-辛基-3-甲基雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽([OMIm][Tf₂N])、1-丁基-3-甲基雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽([BMIm][Tf₂N])和1-乙基-3-甲基雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽([EMIm][Tf₂N])中任一種。

上述的溫度傳感芯片中，所述溫度傳感芯片還包括2個(gè)電極；所述2個(gè)電極均與所述離子液體接觸。所述溫度傳感芯片內(nèi)部儲(chǔ)存的離子液體能與待測(cè)物實(shí)現(xiàn)快速的熱交換，進(jìn)而改變離子液體的電導(dǎo)率，再通過所述2個(gè)電極和電化學(xué)設(shè)備檢測(cè)離子液體的電導(dǎo)率變化，將電導(dǎo)率改變量與溫度一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確檢測(cè)；此外，還可進(jìn)一步對(duì)傳感基元進(jìn)行集成獲得二維陣列的溫度傳感器芯片。

本發(fā)明還提供了上述溫度傳感芯片的制備方法，它包括將所述離子液體直接轉(zhuǎn)移到所述紙基底上的步驟。

上述的制備方法中，所述離子液體通過筆寫或打印的方式轉(zhuǎn)移到所述紙基底上，所述筆寫具體可為將中性圓珠筆芯中的墨水替換為所述離子液體在所述紙基底上進(jìn)行書寫，如畫出一條直線。

上述的制備方法中，所述方法還包括在所述紙基底上固定2個(gè)電極，并使所述2個(gè)電極均與所述離子液體接觸的步驟。

所述2個(gè)電極具體可為金電極。

所述固定可為鍍或者涂抹，如使用磁控濺射鍍金或者涂抹銀漿。

所述2個(gè)電極的形狀可為長方形，大小可為0.5cm×1cm。

所述2個(gè)電極之間設(shè)有間距，所述間距的長度可為0.5cm。

上述的溫度傳感芯片在制備二維溫度傳感陣列中的應(yīng)用，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種二維溫度傳感陣列，所述二維溫度傳感陣列中的每個(gè)傳感單元為上述任一項(xiàng)所述的溫度傳感芯片。

上述二維溫度傳感陣列的制備方法，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，包括如下步驟：

1)在所述紙基底上鍍上個(gè)n個(gè)(如8個(gè))平行的電極條帶；

2)在步驟1)中所述紙基底的背面，沿著所述電極條帶的長度方向，在每個(gè)所述電極條帶上轉(zhuǎn)移n個(gè)等距離的離子液體液滴，并使所述液滴透過所述紙基底與所述電極條帶接觸；

3)垂直與所述金屬條帶的方向，在步驟2)中所述離子液體的上方鍍上n個(gè)平行的電極條帶，形成n×n的二維陣列，即可得到所述二維溫度傳感陣列。

上述的制備方法中，所述離子液體通過筆寫或打印的方式轉(zhuǎn)移到所述電極條帶上，所述筆寫具體可為將中性圓珠筆芯中的墨水替換為所述離子液體在所述紙基底上進(jìn)行書寫。

本發(fā)明具有如下有益效果：

與傳統(tǒng)的近紅外傳感芯片相比，該傳感芯片減小了芯片的體積和成本，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，響應(yīng)速度超快(響應(yīng)時(shí)間6s)，方便攜帶，價(jià)格低廉，可以大批量生產(chǎn)。且二維溫度傳感陣列具有材料簡單，結(jié)構(gòu)簡易，制備方便等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中制備離子液體紙基溫度傳感芯片的示意圖。

圖2為實(shí)施例1中離子液體紙基溫度傳感芯片的實(shí)物照片。

圖3為實(shí)施例1中離子液體紙基溫度傳感芯片對(duì)溫度的響應(yīng)圖。

圖4為實(shí)施例1中紙基溫度傳感芯片對(duì)不同測(cè)試溫度的響應(yīng)時(shí)間圖。

圖5為實(shí)施例2中制備二維溫度傳感陣列的示意圖。

圖6為實(shí)施例2中基于離子液體的二維溫度傳感陣列的實(shí)物照片。

圖7為實(shí)施例2中二維溫度傳感陣列在溫度場中的二維成像圖。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。

下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

下述實(shí)施例中使用的離子液體(1-乙基-3-甲基雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽)([EMIm][Tf₂N])購自蘭州中科凱特科工貿(mào)有限公司。

實(shí)施例1、離子液體紙基溫度傳感芯片的制備及對(duì)溫度的響應(yīng)

(1)離子液體紙基溫度傳感芯片的制備

如圖1所示，按照如下步驟制備溫度傳感芯片：

1)金電極沉積：通過磁控濺射鍍膜儀(型號(hào)：JCP-200，北京泰科諾科技有限公司)在一張3cm×3cm的A4紙鍍上特定形狀的2個(gè)金電極，金電極的大小為0.5cm×1cm，2個(gè)金電極之間的距離為0.5cm。

2)筆寫：將得到的芯片用裝有離子液體的筆芯(將中性圓珠筆筆芯中的墨水替換為離子液體得到裝有離子液體的筆芯)畫出一條直線，并使離子液體與2個(gè)金電極相連接。

3)連接導(dǎo)線：將上述芯片的兩電極與兩根導(dǎo)線相連接，并用導(dǎo)電膠把電極與導(dǎo)線之間緊密貼合，使導(dǎo)線與導(dǎo)電膠充分接觸。

制備得到的溫度傳感芯片的實(shí)物照片如圖2所示。

(2)離子液體紙基溫度傳感芯片對(duì)溫度的響應(yīng)

將制備的溫度傳感芯片的電極接入到電化學(xué)工作站(型號(hào)：CHI660E，上海辰華儀器有限公司)，方法采用電流-時(shí)間曲線法，設(shè)定輸出電壓恒定為1.0V，對(duì)溫度傳感芯片進(jìn)行恒電位掃描，得到的電流-時(shí)間曲線僅與芯片的電阻變化有關(guān)，具體實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如下：

選取恒溫加熱臺(tái)(型號(hào)：BP-2B，北京創(chuàng)世微納科技有限公司)作為恒溫測(cè)試裝置，溫度可設(shè)定為30℃至65℃之間任意值，并控制室溫恒定為25℃。

1)調(diào)節(jié)恒溫加熱臺(tái)的溫度恒定為45℃，將上述溫度傳感芯片的電極線接入到電化學(xué)工作站，同時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行恒電位掃描，電壓設(shè)置為1.0V，記錄電流-時(shí)間曲線，觀察電流隨溫度改變而發(fā)生的變化，設(shè)定加熱溫度的時(shí)間為2min，冷卻時(shí)間為2min，持續(xù)14個(gè)循環(huán)，其中，響應(yīng)值(ΔG/G₀)的計(jì)算依賴一個(gè)設(shè)定的公式：ΔG/G₀＝[1-I/I₀]×100％，其中I表示實(shí)時(shí)電流，而I₀表示初始測(cè)試時(shí)的起始電流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，在14個(gè)循環(huán)中，每個(gè)循環(huán)的響應(yīng)值基本一致，即在溫差為20K時(shí)，每個(gè)循環(huán)的響應(yīng)值都在60％左右。

2)將上述溫度傳感芯片的電極連線接入到電化學(xué)工作站，對(duì)芯片進(jìn)行恒電位掃描，電壓設(shè)置為1.0V，記錄電流-時(shí)間曲線，觀察電流隨溫度變化產(chǎn)生的變化，設(shè)定加熱溫度時(shí)間為2min，冷卻時(shí)間為2min。其中，依次調(diào)節(jié)加熱溫度從30℃遞增至60℃，使溫差值依次為5K、10K、15K、20K、25K、30K和35K。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，所述超快響應(yīng)溫度傳感芯片在所有溫差下的響應(yīng)時(shí)間為6s。在30℃～60℃之間，響應(yīng)值ΔG/G₀隨著溫差的上升而上升，呈規(guī)律性增加。其中ΔG/G₀與溫差ΔT的關(guān)系方程如式(1)：

$\mathrm{\Δ}G/G_0+1=A\·\exp (-\frac{B}{C+1/\mathrm{\Δ}T})---\left(1\right)$

式(1)中，A＝1.059，B＝0.024，C＝0.008。

實(shí)施例2、二維溫度傳感陣列的制備及對(duì)溫度場的成像

(1)二維溫度傳感陣列的制備

如圖5所示，按照如下步驟制備二位溫度傳感芯片：

1)金電極沉積：通過磁控濺射鍍膜儀(型號(hào)：JCP-200，北京泰科諾科技有限公司)在一張6cm×6cm的A4紙鍍上特定形狀的8個(gè)金電極條帶，金電極條帶的大小為4.5cm×0.5cm，每個(gè)金電極之間的距離為0.5cm。

2)翻面并筆寫：用裝有離子液體的中性圓珠筆在鍍有金電極條帶的紙張背面點(diǎn)出離子液體液滴，使離子液體透過紙能與金電極接觸。一共點(diǎn)64個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)相距0.5cm。

3)金電極沉積：在點(diǎn)有離子液體的一面通過磁控濺射鍍膜儀鍍上特定形狀的8個(gè)金電極，金電極的大小為4.5cm×0.5cm，每個(gè)金電極之間的距離為0.5cm。金電極都與離子液體接觸且與第一次鍍的金電極成直角。

4)與導(dǎo)線連接：將上述芯片的16個(gè)電極與16根導(dǎo)線相連接，并用導(dǎo)電膠把電極與導(dǎo)線之間緊密貼合，使導(dǎo)線與導(dǎo)電膠充分接觸。

制備得到的二維溫度傳感陣列如圖6所示。

(2)二維溫度傳感芯片對(duì)溫度場的成像

將制備的二維溫度傳感陣列芯片的電極接入到Keithley(型號(hào)：4200-SCS，A Tektronix Company)，方法采用電流-時(shí)間曲線法，設(shè)定輸出電壓恒定為1.0V，對(duì)二維溫度傳感芯片進(jìn)行恒電位掃描，得到的電流-時(shí)間曲線僅僅與外界的溫度變化有關(guān)，具體實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如下：

選取恒溫加熱棒作為恒溫測(cè)試裝置，溫度可設(shè)定為25℃至65℃之間任意值，并保持室溫為25℃。

1)調(diào)節(jié)恒溫加熱棒的溫度恒定為29℃，將上述二維溫度傳感芯片的電極線接入到Keithley，同時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行恒電位掃描，電壓設(shè)置為1.0V，記錄電流-時(shí)間曲線，當(dāng)加熱棒接觸其中的一個(gè)點(diǎn)時(shí)觀察各個(gè)點(diǎn)的電流隨溫度改變而發(fā)生的變化，設(shè)定加熱溫度的時(shí)間為2min，冷卻時(shí)間為2min，持續(xù)多個(gè)循環(huán)，其中，響應(yīng)值(ΔG/G₀)的計(jì)算依賴一個(gè)設(shè)定的公式：ΔG/G₀＝[1-I/I₀]×100％，其中I表示實(shí)時(shí)電流，而I₀表示初始測(cè)試時(shí)的起始電流。

根據(jù)圖4說明所給出的ΔG/G₀與溫差ΔT的關(guān)系即公式(1)，計(jì)算出當(dāng)加熱棒接觸其中一個(gè)點(diǎn)時(shí)陣列的溫度值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可知只有與恒溫加熱棒接觸的點(diǎn)能測(cè)出溫度變化，證明二維溫度傳感陣列的可靠性。